生物炭联合电化学强化人工湿地脱氮除磷的效能及机制研究

发布时间：2020-04-01 16:05

【摘要】：人工湿地是一种生态处理技术,具有投资成本低,便于维护管理,适用于多种废水的处理等优点,目前在全世界范围广泛的应用,但是传统湿地在处理低C/N废水时脱氮除磷效果差。本研究构建了生物炭联合电化学强化的人工湿地系统,首先考察了生物炭以及电化学脱氮除磷的效果,随后考察了不同HRT、电流密度以及C/N对生物炭-电化学强化的人工湿地系统的影响,同时分析了系统植物的生长生理指标以及基质微生物的活性和反硝化强度,通过高通量测序、FITR以及XPS等深入解析了系统脱氮除磷的机制。构建了生物炭以及电化学强化的四个人工湿地系统,首先考察了生物炭和电化学强化湿地系统脱氮除磷性能的效能,结果发现生物炭强化显著提高了人工湿地对氨氮、硝态氮以及总氮的去除效率,但是不利总磷的去除,生物炭对TN去除的贡献为25.07-33.33%;电化学强化不利于氨氮的去除,但是电化学强化显著提高硝态氮和总氮的去除效率,电化学对TN去除的贡献为27.64-30.16%。生物炭联合电化学强化湿地系统(E-BFCW)出水总氮的满足地表IV类水的水质要求(HRT=12 h),出水总磷的浓度都满足地表III类水的水质要求。电流密度以及HRT都影响E-BFCW的脱氮效率,电流密度为0.0531mA/cm~2,TN的去除效率最高,HRT与TN的去除率呈现显著的正相关,对TP的去除没有显著影响。C/N直接影响硝态氮的去除效率,C/N低导致亚硝态氮大量累积。四个湿地系统植物的生长以及生理指标存在差异,生物炭和电化学都影响着植物的生长,电化学强化系统植物体内的酶活性会略微升高,生物炭的添加可以缓和电化学的不利影响,MDA含量说明电化学不会损害植物细胞的细胞膜。生物炭和电化学都增强了基质微生物的活性,四个湿地系统上部的硝化强度都比较低,生物炭与电化学强化都提高了基质微生物的反硝化强度。微生物群落结构主要受电化学的影响,基质层的深度也影响着微生物群落结构。基于微生物群落结构以及电化学表征等手段深入解析了系统脱氮除磷机制,结果表明生物炭以及电化学作用都增加了反硝化菌属的丰度,电化学强化系统阴极区域富集了几种脱氮功能的微生物菌属:Hydrogenophag,Simplicispira,Rubrivivax,Proteiniclasticum和Thauera。其中Hydrogenophag为优势菌属,是一种基于氢气的自养反硝化细菌菌属。强化系统可能存在多种脱氮途径:异养反硝化、H_2自养反硝化、Fe~(2+)自养反硝化、厌氧氨氧化等。FTIR分析可知生物炭中的P=O键的含量明显增加,铁离子与生物炭形成络合结构,有利于磷酸盐的吸附。XPS的结果显示Fe_3(PO_4)_2的沉淀和FeOOH的吸附作用是阳极区域磷去除主要的原因。
【图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文为 NH3，然后释放到空气中[35]。基质的吸附存在吸附较好，后期吸附性能减弱。普通湿地基质砾石吸附性除所占的比例小。人工湿地氮去除微生物占主导，氨细菌的作用下转化为 NH4+-N。NH4+-N 在 AMO（氨单加还原酶）和 NXR（亚硝酸盐氧化还原酶）的作用下2--N 和 NO3--N。反硝化是人工湿地脱氮的重要过程，N硝酸还原酶）催化还原为 NO2--N，然后，在 NIR（亚硝亚硝酸盐转化为一氧化氮，在 NOR（一氧化氮还原酶酶）的作用下进一步还原为一氧化氮和一氧化二氮[36]境或硝酸盐有限条件下，常会出现异化硝酸盐还原包为 NH4+-N[32]。

通过文献调研，，生物炭以及电化学作用都可以用来处理氮磷污染物，本研究中将生物炭以及电化学应用到人工湿地中，首先考察了电化学以及生物炭单独强化下人工湿地脱氮除磷的效果，之后与电化学和生物炭耦合系统进行对比，考察了二者耦合后对氮磷的去除效果，同时分析了电流密度（0.0265 mA/cm2、0.053mA/cm2、0.0796 mA/cm2）、HRT（12 h，8 h，6 h）以及 C/N（3:1，1:1，0:1）对生物炭-电化学强化人工湿地系统污染物去除的影响。（2）生物炭-电化学人工湿地脱氮除磷的机制分析。实验结束后，分析了生物炭以电化学对湿地植物生长以及生理指标的影响，同时也分析了基质微生物的活性以及硝化反硝化强度。从植物、基质、电化学、微生物角度入手，通过高通量测序分析系统微生物多样性以及主要群落，进而探讨生物炭-电化学强化人工湿地系统脱氮的主要机制；通过批次实验来验证湿地系统可能存在的脱氮途径以及基质对磷的吸附性能。用 FITR、XPS 等对阳极附近生物炭进行分析，解释系统磷去除的主要机理。1.5.4 技术路线本论文技术路线图如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

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本文编号：2610670